Aldebaran bulletin

Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie.
Vydavatel: AGA & Štefánikova hvězdárna v Praze
Číslo 50 (vyšlo 5. prosince, ročník 6 (2008)
© Copyright Aldebaran Group for Astrophysics
Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno.
ISSN: 1214-1674,
Email: bulletin@aldebaran.cz

Hledej

LABOCA otevírá nové okno do vesmíru

Martin Žáček

Před dvěma týdny vyšel v AB 48/2008 článek Ivana Havlíčka, pojednávající o prvních výsledcích pozorování ve zcela novém submilimetrovém okně elektromagnetického záření, získaných zhruba v posledním roce, od uvedení radioteleskopu APEXAPEX (radioteleskop) – Atacama Pathfinder EXperiment, dvanáctimetrový radioteleskop ESO umístěný v Chile v Atacamské poušti ve výšce 5 080 metrů nad mořem. Do provozu byl uveden v roce 2007, stal se prvním radioteleskopem ze zamýšlené sítě 64 teleskopů ALMA. se snímačem LABOCALABOCA – Large APEX BOlometer CAmera, maticový detektor elektromagnetického záření v submilimetrové oblasti na pomezí radiových vln a infračerveného světla, s excelentní citlivostí. Umístěn je na radioteleskopu APEX v Atacamské poušti v Chile v nadmořské výšce 5 080 m. do provozu v květnu 2007. APEX (Atacama Pathfinder EXperiment) je dvanáctimetrový radioteleskop s pohyblivou anténou, nacházející se v severní Chile v nadmořské výšce 5 080 m. Jde o první z 64 radioteleskopů budoucí sítě ALMAALMA – Atacama Large Millimeter Array. Síť 66 radioteleskopů o průměru 12,5 metru, kterou vybudovala Evropská jižní observatoř (ESO) v chilských Andách ve výšce 5100 m nad mořem na planině Llano Chajnantor v blízkosti městečka San Pedro de Atacama. Smlouva o stavbě byla podepsána v roce 2002, se stavbou se započalo na podzim 2003, stavba byla dokončena na konci roku 2012 a dnes je radioteleskopické pole v plném provozu.. Vznikl ve spolupráci tří evropských institucí, MPIMPI – Max Planck Institute, největší síť vědeckých ústavů v Německu s pobočkami v mnoha velkých městech. (Max−Planck−Institut pro Radioastronomii v Bonnu, MPIfRA), ESOESO – European Organisation for Astronomical Research in the Southern Hemisphere, zkráceně European Southern Observatory, Evropská jižní observatoř. Organizace byla založena v roce 1962. Postavila řadu dalekohledů v Chile. Jde o lokality La Silla (2 400 m), kde je dalekohled NTT, dále Cerro Paranal (2 635 m) s čtveřicí dalekohledů VLT a planinu Llano Chajnantor (5 080 m), kde se nachází radioteleskopická síť ALMA. (Evropská jižní observatoř) a OSOOSO – Onsala Space Observatory, švédská národní radioastronomická observatoř umístěná 45 kilometrů jižně od Gothenburgu v Onsale. Vlastní dva radioteleskopy pracující na milimetrových a centimetrových vlnách. Observatoř byla založena v roce 1949. (Onsalská observatoř). LABOCALABOCA – Large APEX BOlometer CAmera, maticový detektor elektromagnetického záření v submilimetrové oblasti na pomezí radiových vln a infračerveného světla, s excelentní citlivostí. Umístěn je na radioteleskopu APEX v Atacamské poušti v Chile v nadmořské výšce 5 080 m. se stala spolu s velkým radioteleskopem APEX a v kombinaci s příhodným místem s vynikající atmosférou po většinu roku vhodnou pro pozorování v uvedeném oboru, aparaturou s bezprecedentními vlastnostmi, slibujícími získávat nové, dosud nedosažitelné astronomické výsledky. Nová kamera je založena na unikátním technickým řešení a využívá matici extrémně citlivých bolometrůBolometr – neselektivní detektor tepelného (infračerveného) záření pracující na principu měření změny elektrického odporu v závislosti na změně teploty čidla bolometru v důsledku absorpce záření. Závislost lze vyjádřit přibližným vztahem ΔR/R = αΔT, kde α je teplotní součinitel změny odporu R, jehož velikost je určena materiálem čidla bolometru a pracovní teplotou (α = 0,5 ÷ 5 000 K−1). Současné možnosti (1. polovina roku 2013) komerčně dostupných nechlazených detektorů: zobrazování v rozsahu 7÷14 μm v rozlišení 680×480 pixelů, velikost pixelu až 25 μm. čímž se daří pozorovat chladnou mezihvězdnou hmotu prostřednictvím jejího tepelném záření, často dosud jinými metodami nepozorovatelnou. Nové výsledky nám umožní lépe pochopit například procesy při formování chladného mezihvězdného plynu a prachu před vznikem nebo po zániku hvězd, úlohu této látky ve spirálních ramenech galaxií apod. Pojďme se v tomto Bulletinu podívat podrobněji na fyzikální principy a některá technická řešení zmíněného detektoru.

APEX (radioteleskop) – Atacama Pathfinder EXperiment, dvanáctimetrový radioteleskop ESO umístěný v Chile v Atacamské poušti ve výšce 5 080 metrů nad mořem. Do provozu byl uveden v roce 2007, stal se prvním radioteleskopem ze zamýšlené sítě 64 teleskopů ALMA.

LABOCA – Large APEX BOlometer CAmera, maticový detektor elektromagnetického záření v submilimetrové oblasti na pomezí radiových vln a infračerveného světla, s excelentní citlivostí. Umístěn je na radioteleskopu APEX v Atacamské poušti v Chile v nadmořské výšce 5 080 m.

Bolometr – neselektivní detektor tepelného (infračerveného) záření pracující na principu měření změny elektrického odporu v závislosti na změně teploty čidla bolometru v důsledku absorpce záření. Závislost lze vyjádřit přibližným vztahem ΔR/R = αΔT, kde α je teplotní součinitel změny odporu R, jehož velikost je určena materiálem čidla bolometru a pracovní teplotou (α = 0,5 ÷ 5 000 K−1). Současné možnosti (1. polovina roku 2013) komerčně dostupných nechlazených detektorů: zobrazování v rozsahu 7÷14 μm v rozlišení 680×480 pixelů, velikost pixelu až 25 μm.

Snímač LABOCA jako srdce experimentu

Konstrukce kamery LABOCALABOCA – Large APEX BOlometer CAmera, maticový detektor elektromagnetického záření v submilimetrové oblasti na pomezí radiových vln a infračerveného světla, s excelentní citlivostí. Umístěn je na radioteleskopu APEX v Atacamské poušti v Chile v nadmořské výšce 5 080 m. vyvinuté vědeckou skupinou pro bolometryBolometr – neselektivní detektor tepelného (infračerveného) záření pracující na principu měření změny elektrického odporu v závislosti na změně teploty čidla bolometru v důsledku absorpce záření. Závislost lze vyjádřit přibližným vztahem ΔR/R = αΔT, kde α je teplotní součinitel změny odporu R, jehož velikost je určena materiálem čidla bolometru a pracovní teplotou (α = 0,5 ÷ 5 000 K−1). Současné možnosti (1. polovina roku 2013) komerčně dostupných nechlazených detektorů: zobrazování v rozsahu 7÷14 μm v rozlišení 680×480 pixelů, velikost pixelu až 25 μm. pracující v MPIfRA zúročuje mnohaleté zkušenosti při vývoji bolometrůBolometr – neselektivní detektor tepelného (infračerveného) záření pracující na principu měření změny elektrického odporu v závislosti na změně teploty čidla bolometru v důsledku absorpce záření. Závislost lze vyjádřit přibližným vztahem ΔR/R = αΔT, kde α je teplotní součinitel změny odporu R, jehož velikost je určena materiálem čidla bolometru a pracovní teplotou (α = 0,5 ÷ 5 000 K−1). Současné možnosti (1. polovina roku 2013) komerčně dostupných nechlazených detektorů: zobrazování v rozsahu 7÷14 μm v rozlišení 680×480 pixelů, velikost pixelu až 25 μm. pro astronomická pozorování v submilimetrovém pásmu. Jde zatím o nejkomplexnější pozorovací aparaturu vyvinutou touto skupinou. Všimněme si nyní jejího principu a některých nově vyvinutých unikátních technických řešení.

Nová technika tzv. rychlého snímání pro odstranění atmosférického šumu

Největší překážku pro pozorování v milimetrovém a submilimetrovém pásmu je zemská atmosféra, která představuje v tomto pásmu podobnou obtíž, jako kdybychom chtěli provádět astronomická pozorování v optickém oboru za dne, kdy atmosféra září rozptýleným denním světlem. V infračerveném oboru toto způsobuje nejvíce vodní pára obsažená v atmosféře a v menší míře další plyny, jako je například ozón. Kromě toho je rušivé atmosférické pozadí časově proměnné a tvoří tak jakýsi pozorovací šum, přehlušující záření všech astronomických objektů s výjimkou Slunce, Měsíce, Venuše, Marsu a Jupiteru se Saturnem. Nejrozšířenější metodou, jak detekovat záření s intenzitou pod hladinou šumu je tzv. přepínací technika, realizovaná nejčastěji sekundárním zrcadlem nazývaným woobler (rozmítací zrcadlo), které přepíná obraz pozorované oblasti s obrazem atmosférického pozadí na frekvenci vyšší než je frekvence atmosférického šumu. Tato metoda je použitelná s jistým omezením i pro matici detektorů, nejlépe však pracuje ve spojení s jednopixelovými detektory. Pro detektor LABOCALABOCA – Large APEX BOlometer CAmera, maticový detektor elektromagnetického záření v submilimetrové oblasti na pomezí radiových vln a infračerveného světla, s excelentní citlivostí. Umístěn je na radioteleskopu APEX v Atacamské poušti v Chile v nadmořské výšce 5 080 m. byla pro eliminaci šumového pozadí použita odlišná technika, vyvinutá speciálně pro maticové detektory. V této technice nazvané Fast Scanning (rychlé snímání) se využívá skutečnosti, že v poli snímačů jsou vždy snímány pro každý jednotlivý bolometrBolometr – neselektivní detektor tepelného (infračerveného) záření pracující na principu měření změny elektrického odporu v závislosti na změně teploty čidla bolometru v důsledku absorpce záření. Závislost lze vyjádřit přibližným vztahem ΔR/R = αΔT, kde α je teplotní součinitel změny odporu R, jehož velikost je určena materiálem čidla bolometru a pracovní teplotou (α = 0,5 ÷ 5 000 K−1). Současné možnosti (1. polovina roku 2013) komerčně dostupných nechlazených detektorů: zobrazování v rozsahu 7÷14 μm v rozlišení 680×480 pixelů, velikost pixelu až 25 μm. také okolní části oblohy sousedními bolometryBolometr – neselektivní detektor tepelného (infračerveného) záření pracující na principu měření změny elektrického odporu v závislosti na změně teploty čidla bolometru v důsledku absorpce záření. Závislost lze vyjádřit přibližným vztahem ΔR/R = αΔT, kde α je teplotní součinitel změny odporu R, jehož velikost je určena materiálem čidla bolometru a pracovní teplotou (α = 0,5 ÷ 5 000 K−1). Současné možnosti (1. polovina roku 2013) komerčně dostupných nechlazených detektorů: zobrazování v rozsahu 7÷14 μm v rozlišení 680×480 pixelů, velikost pixelu až 25 μm.. Rozmítání signálu se tedy nahrazuje pohybem celé aparatury po pozorované oblasti oblohy a obraz se zkonstruuje až ve fázi počítačového vyhodnocení pozorovaných dat. Šumový příspěvek atmosféry a podobně i přístrojový šum, u nichž obou se předpokládá, že v sousedních snímačích jsou v čase do jisté míry korelovány, lze tak částečně odečíst. Tato technika byla poprvé testována v roce 2000 na matici o 37 bolometrechBolometr – neselektivní detektor tepelného (infračerveného) záření pracující na principu měření změny elektrického odporu v závislosti na změně teploty čidla bolometru v důsledku absorpce záření. Závislost lze vyjádřit přibližným vztahem ΔR/R = αΔT, kde α je teplotní součinitel změny odporu R, jehož velikost je určena materiálem čidla bolometru a pracovní teplotou (α = 0,5 ÷ 5 000 K−1). Současné možnosti (1. polovina roku 2013) komerčně dostupných nechlazených detektorů: zobrazování v rozsahu 7÷14 μm v rozlišení 680×480 pixelů, velikost pixelu až 25 μm. umístěných na 30metrovém radioteleskopu IRAM (Instituto de Radioastronomía Milimétrica) v Pico Veleta ve Španělsku a od té doby na některých dalším radioteleskopech. Získané zkušenosti posloužily při vývoji bolometrického snímače LABOCALABOCA – Large APEX BOlometer CAmera, maticový detektor elektromagnetického záření v submilimetrové oblasti na pomezí radiových vln a infračerveného světla, s excelentní citlivostí. Umístěn je na radioteleskopu APEX v Atacamské poušti v Chile v nadmořské výšce 5 080 m., ve kterém byla použita zcela nově vyvinutá metoda „rychlého snímání“ za použití nových algoritmů pro zpracování dat.

Dosud největší matice bolometrů

V čem nový detektor naprosto zřejmě vyniká v porovnání se staršími detektory, je použitý počet 295 pixelů v poli snímačů.

Čip snímačů LABOCA

Pole 295 bolometrickýchBolometr – neselektivní detektor tepelného (infračerveného) záření pracující na principu měření změny elektrického odporu v závislosti na změně teploty čidla bolometru v důsledku absorpce záření. Závislost lze vyjádřit přibližným vztahem ΔR/R = αΔT, kde α je teplotní součinitel změny odporu R, jehož velikost je určena materiálem čidla bolometru a pracovní teplotou (α = 0,5 ÷ 5 000 K−1). Současné možnosti (1. polovina roku 2013) komerčně dostupných nechlazených detektorů: zobrazování v rozsahu 7÷14 μm v rozlišení 680×480 pixelů, velikost pixelu až 25 μm. snímačů použité v kameře LABOCALABOCA – Large APEX BOlometer CAmera, maticový detektor elektromagnetického záření v submilimetrové oblasti na pomezí radiových vln a infračerveného světla, s excelentní citlivostí. Umístěn je na radioteleskopu APEX v Atacamské poušti v Chile v nadmořské výšce 5 080 m.. Průměr křemíkové
destičky je 102 mm. Zdroj: MPIMPI – Max Planck Institute, největší síť vědeckých ústavů v Německu s pobočkami v mnoha velkých městech..

Detektory vytvořené z 0,4 μm silné vrstvičky nitridu křemíkuKřemík – polokovový prvek, hojně se vyskytující v zemské kůře. Slouží jako základní materiál pro výrobu polovodičových součástek nebo položek pro pěstování nanostruktur. Oxid křemičitý je základní surovina pro výrobu skla a významná součást keramických a stavebních materiálů. Objev křemíku je připisován švédskému chemikovi J. Jacobu Berzeliovi (1824). jsou pokryté titanovýmTitan (prvek) – Titanium, šedý až stříbřitě bílý lehký kov, poměrně hojně zastoupený v zemské kůře. Je poměrně tvrdý a mimořádně odolný proti korozi. Jeho výrazně většímu technologickému uplatnění brání doposud vysoká cena výroby čistého kovu. Hlavní uplatnění nalézá jako složka různých slitin a protikorozních ochranných vrstev, ve formě chemických sloučenin slouží často jako složka barevných pigmentů. Titan byl objeven roku 1791 anglickým chemikem Williamem Gregorem. filmem sloužícím jako absorbér detekovaného záření. K němu jsou připájeny germaniovéGermanium – vzácný polokovový prvek, nalézající největší uplatnění v polovodičovém průmyslu. Objevil jej roku 1886 německý chemik Clemens A. Winkler a pojmenoval jej podle své vlasti. Využívá se při výrobě tranzistorů, integrovaných obvodů a světlovodné techniky. termistory, které detekují nepatrné změny teploty snímače v důsledku pohlceného záření. Celé pole je umístěno v kryostatu využívajícího k předchlazení kapalný dusíkDusík – Nitrogenium, plynný chemický prvek tvořící hlavní složku zemské atmosféry. Patří mezi biogenní prvky, které jsou základními stavebními kameny živé hmoty. Tento plyn popsal jako první Němec Carl Wilhelm Scheele v roce 1777. Poté co bylo zjištěno, že je kyselina dusičná odvozena od dusíku, pro něj Chaptal navrhl název nitrogéne, což znamená ledkotvorný, který se udržel v latinském označení nitrogenium.heliumHelium – plynný chemický prvek, patřící mezi vzácné plyny a tvořící druhou nejvíce zastoupenou složku vesmírné hmoty. Bezbarvý plyn, bez chuti a zápachu, chemicky zcela inertní. Francouzský astronom Pierre Janssen objevil helium ze spektrální analýzy sluneční korony. V roce 1895 se britskému chemikovi Williamu Ramsayovi podařilo izolovat plynné helium na Zemi. Je pojmenované po starořeckém bohu Slunce, Héliovi.. Konečného zchlazení na teplotu 0,285 K je dosaženo dvoustupňovým sorpčním chladičem. Sada studených filtrů, oddělujících dusíkovou a heliovou část kryostatu od okolí, je navržena na propustné pásmo se středem 870 μm (345 GHz) a 150 μm (60 GHz).

Citlivost snímačů LABOCA

Spektrální citlivost kamery LABOCALABOCA – Large APEX BOlometer CAmera, maticový detektor elektromagnetického záření v submilimetrové oblasti na pomezí radiových vln a infračerveného světla, s excelentní citlivostí. Umístěn je na radioteleskopu APEX v Atacamské poušti v Chile v nadmořské výšce 5 080 m.. Střední frekvence je 345 GHz a šířka měřená
poklesem citlivosti na polovinu maxima je 313÷372 GHz. Zdroj: MPIMPI – Max Planck Institute, největší síť vědeckých ústavů v Německu s pobočkami v mnoha velkých městech..

Záření je po vstupu do kamery soustředěno k jednotlivým bolometrůmBolometr – neselektivní detektor tepelného (infračerveného) záření pracující na principu měření změny elektrického odporu v závislosti na změně teploty čidla bolometru v důsledku absorpce záření. Závislost lze vyjádřit přibližným vztahem ΔR/R = αΔT, kde α je teplotní součinitel změny odporu R, jehož velikost je určena materiálem čidla bolometru a pracovní teplotou (α = 0,5 ÷ 5 000 K−1). Současné možnosti (1. polovina roku 2013) komerčně dostupných nechlazených detektorů: zobrazování v rozsahu 7÷14 μm v rozlišení 680×480 pixelů, velikost pixelu až 25 μm. – monolitickým polem trychtýřovitých antén. Úhlová šířka oblasti odpovídající jednomu pixelu odpovídá 18,6 úhlovým vteřinám a celé matici odpovídá oblast oblohy o velikosti 11,4 úhlových minut.

Montáž čipu snímačů

Montáž čipu s maticí snímačů v kameře LABOCALABOCA – Large APEX BOlometer CAmera, maticový detektor elektromagnetického záření v submilimetrové oblasti na pomezí radiových vln a infračerveného světla, s excelentní citlivostí. Umístěn je na radioteleskopu APEX v Atacamské poušti v Chile v nadmořské výšce 5 080 m.. Tmavě zelená − křemíkový substrát, světle zelená − nitrid křemíku s titanovým filmem jako absorbér záření, červený obdélník − germaniový termistor připájený k povrchu absorpční vrstvy, červená − niobové elektrody, žlutá − zlaté elektrody. Vlevo dole řez celou sestavou s detailem trychtýřové antény pro jeden pixel. Zdroj: MPIMPI – Max Planck Institute, největší síť vědeckých ústavů v Německu s pobočkami v mnoha velkých městech..

Mechanismus „rychlého snímání“ může probíhat ve více režimech. V prvním režimu snímání oblohy probíhá po spirále s konstatní úhlovou rychlostí vztaženou ke středu spirály, takže úhlová rychlost po obloze (vztažená ke středu teleskopu) roste s poloměrem spirály. Další je kombinace spirálového pohybu s pohybem rastrovým. Třetí režim se nazývá One−The−Fly (OTF) mapování, při kterém se snímá obloha při pohybu dalekohledu po obloze jedním směrem. Volba režimu se řídí podle velikosti snímané oblohy a podle typu pozorovaného objektu. Pro malé kompaktní objekty se hodí spirálový režim, pro větší části oblohy se používají další dva z uvedených režimů. Typická úhlová rychlost snímání oblohy je kolem 30″/s a závisí mimo jiné také na momentálních vlastnostech oblohy, přičemž maximální úhlová rychlost je omezena maximální možnou rychlostí zpracování dat. která činí přibližně 4′/s.

pohyb po spirále

Pohyb snímání oblohy rychlým skenováním v režimu spirálového pohybu. Simulovaný pohyb jednoho snímače je překreslen pro porovnání přes matici snímačů zakreslenou do obrázku tak, jak snímají oblohu. Na vodorovné ose je posun v azimutálním směru, na svislé ose ve svislém směru. Jednotky jsou úhlové vteřiny. Zdroj: MPIMPI – Max Planck Institute, největší síť vědeckých ústavů v Německu s pobočkami v mnoha velkých městech..

Přínos dalekohledu APEX s kamerou LABOCA

Experimentální aparatura popsaná v tomto Bulletinu se hodí na širokou škálu pozorování nejrůznějších, hlavně chladných objektů. Jsou to zejména tyto:

  • Formování planetárních disků.
  • Formování chladné hmoty v naší Galaxii.
  • Chladná hmota ve spirálních ramenech sousedních galaxií.
  • Pozorování kosmologických objektů s extrémním červeným posuvem.

O některých výsledcích se píše v AB 48/2008, který jsme zmínili na začátku. Ač by bylo lépe provádět pozorování v infračerveném oboru dalekohledem umístěným ve vesmíru a vyhnout se tak rušivého vlivu atmosféry, mají pozemní dalekohledy i přes obtížnější pozorovací podmínky některé jiné výhody, které mohou v konečné bilanci převážit. Je to zejména nesrovnatelně nižší cena, možnost použít dalekohledy s většími průměry paraboly a odpadají rovněž omezení při nutných servisních misích ve vesmíru, způsobených malou kapacitou při plánování letů raketoplánů, které plní mnoho jiných a rovněž důležitých programů. Pozemní infračervené dalekohledy tak mohou v konečném výsledku poskytnout bohatší pozorovací program, neboť na Zemi je pak možné postavit více dalekohledů a nepříznivý vliv atmosféry lze popsanými metodami omezit. Proto se můžeme těšit na bohatý budoucí rozvoj této nové oblasti astronomie.

LABOCA tým

Tým LABOCALABOCA – Large APEX BOlometer CAmera, maticový detektor elektromagnetického záření v submilimetrové oblasti na pomezí radiových vln a infračerveného světla, s excelentní citlivostí. Umístěn je na radioteleskopu APEX v Atacamské poušti v Chile v nadmořské výšce 5 080 m. na dalekohledu APEX v září 2006, v den první instalace. Zleva doprava: N. Jethava, W. Esch, G. Lundershausen, G. Siringo, E. Kreysa. Uprostřed je kamera LABOCA před instalací. Zdroj: MPIMPI – Max Planck Institute, největší síť vědeckých ústavů v Německu s pobočkami v mnoha velkých městech..

Odkazy

Valid HTML 5 Valid CSS!

Aldebaran Homepage